من الفوضى إلى النظام: الطيور المتزاحمة والجسيمات "الدوارة

درس الفيزيائيون منذ فترة طويلة كيف تنشأ الطاقة والحركة في المواد عندما تتفاعل المكونات بطرق جديدة. والآن، تستكشف أبحاثهم حدودًا أغرب من ذلك: كيف يمكن للطاقة والنظام أن يظهرا تلقائيًا على النطاق الكمي من التفاعلات غير المتوازنة. في دراسة جديدة، كشف باحثون في اليابان عن ظاهرة أطلقوا عليها اسم "المادة النشطة الكمية" ووجدوا أنها تُظهر نوعاً من السلوك المتدفق المدفوع فقط بميكانيكا الكم والديناميكيات غير الهرميتيانية. وتكشف نتائجهم التي نُشرت في مجلة فيزيكال ريفيو ريسيرتش كيف يمكن أن تظهر نسخة كمومية من التدفق دون أي تفاعلات محاذاة صريحة - مما يدفع حدود فهمنا للسلوك الناشئ في أصغر المقاييس.

على غرار نظيرتها الكلاسيكية المعروفة باسم "المادة النشطة"، تتكون المادة النشطة الكمية من العديد من الأجزاء المتفاعلة التي تستهلك الطاقة وتبددها بشكل فردي. ولكن على عكس الأنظمة الكلاسيكية، تتصرف المادة النشطة الكمية وفقاً لقواعد غريبة لميكانيكا الكم بدلاً من ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية. يشرح الباحث الرئيسي كازواكي تاكاسان من جامعة طوكيو قائلاً: "في المادة النشطة الكلاسيكية، لديك جسيمات ذاتية الدفع مثل الطيور التي تتدفق معًا". "أما في نظامنا الكمومي، فإن 'الجسيمات' هي في الواقع بتات كمومية يمكن أن تشغل حالات متعددة في وقت واحد. وحركتها لا تحكمها المسارات الكلاسيكية بل الديناميكيات المعقدة لوحدات الموجات الكمية."

كان باحثون سابقون قد قدموا مفهوم المادة النشطة الكمية نظريًا وأظهروا كيف يمكن أن تظهر الظواهر الكلاسيكية مثل الفصل المرحلي الناجم عن الحركة على النطاق الكمي. لكن تاكاسان ومعاونيه كيوسوكي أداتشي وكيوجو كاواجوتشي أرادوا أن يرصدوا مباشرة سلوكيات ناشئة مدفوعة فقط بديناميكيات الكم غير المتوازنة دون القياس على نظام كلاسيكي. يقول تاكاسان: "أردنا استكشاف حالات جديدة غريبة للمادة ليس لها نظير كلاسيكي".

طوّر الفريق نموذجاً نظرياً لـ "مغازل كمومية" أحادية البعد - وهي عبارة عن بتات كمومية يمكن أن تشير إما "لأعلى" أو "لأسفل" - تتحرك في خط وتتفاعل مع بعضها البعض. وأدخلوا عنصرين رئيسيين غير موجودين في أنظمة المادة النشطة الكلاسيكية: النفق الكمي بين حالات الدوران، والتنقل غير المتماثل المعتمد على الدوران بين المواقع المدفوع بالتبدد. يقول أداتشي: "عادة ما يُنظر إلى التبدد على أنه شيء يدمر التأثيرات الكمية". "ولكننا هنا نستخدمه بشكل بنّاء لإحداث سلوكيات ناشئة جديدة."

وبمحاكاة الديناميكيات الكمية لهذه "السلسلة المغزلية النشطة الكمية" على الكمبيوتر، لاحظ الباحثون انتقالاً تلقائياً إلى مرحلة جديدة غريبة من المادة. حتى من دون أي تفاعل محاذاة واضح بين المغازل، طور النظام تلقائياً نظاماً مغناطيسياً حديدياً بعيد المدى - حيث كانت جميع المغازل تشير إلى نفس الاتجاه عبر السلسلة بأكملها. يقول كاواغوتشي: "لقد فوجئنا برؤية السلسلة "تتجمع" معًا فقط من التفاعل بين النفق الكمومي والتفاعلات والتبدد".

ولفهم الآلية، أثبت الفريق أن التبدد يزيد دائماً من طاقة الحالات الكمومية التي تتوجه فيها المغازل بشكل عشوائي، بينما يترك الحالة المتحاذية مغناطيسياً دون تغيير. كما حلوا أيضًا الحالة المبسطة لمغزلين متفاعلين فقط ووجدوا أن التبدد يدفع المغازل إلى الارتباط بإحكام معًا في نوع من الحالة المترابطة كموميًا. ويوضح تاكاسان: "في المرحلة البارامغناطيسية حيث تشير المغازل بشكل عشوائي، فإن التشتت يفضل تكوين الحالة المربوطة، مما يدفع النظام نحو النظام المغناطيسي الحديدي".

طوّر الباحثون نظرية بسيطة لمتوسط المجال تمثل ميزة الطاقة للحالة المربوطة ثنائية المغزل. وقد التقطت النظرية نوعياً نفس الانتقال الطوري المغناطيسي الحديدي الذي شوهد في المحاكاة الكاملة. يقول أداتشي: "تُظهر نظرية المجال المتوسط لدينا أن ظهور النظام بعيد المدى ينبع في نهاية المطاف من الحالات المقيّدة قصيرة المدى التي يسببها التبدد محلياً". يوفر عملهم بعض الأفكار الأولى حول كيفية ظهور التقلبات والترابطات والسلوك الجماعي تلقائيًا من ديناميكيات عدم التوازن الكمي وحدها.

تقع ظاهرة "التدفق الكمي" التي تم الكشف عنها هنا خارج حدود التحولات الطورية الكمية التقليدية لأنها ترجع إلى الطبيعة المعقدة غير الهرمتية لديناميكيات النظام. وعلى هذا النحو، قد يتوافق مع أنواع جديدة من السلوك الحرج الذي لا تصفه النقاط الحرجة الكمية العادية. يأمل الفريق الآن في محاكاة أنظمة أكبر باستخدام تقنيات شبكة الموتر لاستكشاف ما إذا كان الانتقال يبقى مستمراً في الحد الديناميكي الحراري، وكيف يمكن أن تختلف الأسس الحرجة عن النماذج القياسية.

"كان من المدهش في البداية أن نجد أن الترتيب يمكن أن يظهر دون تفاعلات مفصلة بين العوامل في النموذج الكمي. كان الأمر مختلفًا عما كان متوقعًا بناءً على النماذج الفيزيائية الحيوية"

كازواكي تاكاسان

ويشير الباحثون أيضًا إلى أن عملهم يشير إلى إمكانية تحقيقه في المحاكيات الكمية القابلة للبرمجة باستخدام الغازات الذرية الباردة. وقد تم تحقيق كل من الغازات الكمومية ثنائية المكونات والقفز المعتمد على الدوران تجريبياً. يقول تاكاسان: "تُظهر نظريتنا كيف يمكن من حيث المبدأ أن يكون التدفق الكمي قابلاً للرصد باستخدام التبدد المصمم هندسيًا في إمكانات الشبكة الضوئية". وعلى نطاق أوسع، يشير إلى أن نتائجهم توضح كيف يمكن للتحكم الدقيق في التقلبات غير المتوازنة على النطاق الكمي أن يتيح التجميع الذاتي الموجه للهياكل المعقدة - مما يوفر مسارًا لتحقيق مواد كمومية نشطة جديدة ذات وظائف ناشئة.

مع تسارع الاكتشافات في المحاكاة الكمية والذكاء الاصطناعي في مجال المحاكاة الكمية والذكاء الاصطناعي في المناطق المجهولة التي تتقاطع فيها الظواهر الكمية والبعيدة عن التوازن والظواهر الجماعية. يُظهر عمل تاكاسان وأداشي وكاواغوتشي كيف يمكن للنظام العياني الغريب أن ينظم نفسه ذاتيًا حتى داخل الأنظمة الكمية المثالية من خلال التفاعل بين التقلبات الكمية والعمليات اللا توازنية. ويشير اكتشافهم للتدفق الكمي إلى مشهد شاسع غير مستكشف حيث يمكن أن ينشأ التزامن والتدفق والسلوكيات الجماعية الأخرى تلقائيًا من الديناميكيات الصاخبة للعديد من المكونات الكمية. ومع تقدم الهندسة الكمومية، قد تسترشد هذه الظواهر يوماً ما بتصميم تقنيات كمومية جديدة ذات وظائف ناشئة ناشئة عن التقلبات التعاونية على أصغر المقاييس.

المرجع (المراجع)

1. Kazuaki Takasan، Kyosuke Adachi، Kyogo Kawaguchi. المغناطيسية الحديدية الناجمة عن النشاط في أنظمة الأجسام المتعددة الكمومية أحادية البعد. Physical Review Research, 2024؛ 6 (2) DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.023096

انقر على TAGS للاطلاع على المقالات ذات الصلة :

الفيزياء | الكم | الكمبيوتر الكمي | الذاكرة الكمية | الذاكرة الكمية